Evolução: métodos de estudo

Para entender como as características das espécies mudaram ao longo do tempo, os cientistas utilizam diferentes tipos de evidências, incluindo fósseis, semelhanças anatômicas, embriológicas, fisiológicas e moleculares entre os organismos atuais. Os fósseis são uma das principais fontes de informações sobre a evolução, pois nos permitem ver como as espécies mudaram e evoluíram ao longo do tempo. No entanto, as semelhanças entre os organismos atuais também são importantes evidências da evolução. Por exemplo, quando duas espécies apresentam características anatômicas semelhantes, é possível que tenham um ancestral em comum. Isso ocorre porque, ao longo do tempo, as espécies podem ter desenvolvido características semelhantes em resposta a pressões ambientais semelhantes. Da mesma forma, as semelhanças embriológicas e fisiológicas entre os organismos atuais também são evidências importantes da evolução. As espécies que compartilham um ancestral comum tendem a ter características embriológicas e fisiológicas semelhantes, o que pode nos ajudar a entender suas relações evolutivas. Por fim, a análise molecular também é uma ferramenta importante na compreensão da evolução. A comparação das sequências de DNA e proteínas entre diferentes espécies pode revelar informações sobre sua história evolutiva e seus relacionamentos. Em conjunto, as evidências da evolução nos ajudam a entender como as espécies mudaram e se adaptaram ao longo do tempo, e como a diversidade da vida na Terra surgiu e evoluiu.

Fósseis

O registro fóssil é uma das principais fontes de informação sobre a história evolutiva dos seres vivos. O termo fóssil se refere aos restos de seres vivos de épocas passadas, como ossos, conchas, pegadas, pólens, trilhas e túneis deixados por seres vivos que vivem a milhares ou milhões de anos atrás. Entretanto, a formação de fósseis é um fenômeno raro, pois normalmente as partes moles de um cadáver, por exemplo as cartilagens dos animais e a área foliar de uma planta, é imediatamente consumida por outros animais e fungos ou o próprio intemperismo degrada esta partes. Ainda, para que haja a formação de um fóssil, o cadaver deve estar em um local que possibilite a fossilização, como soterramento por sedimentos no fundo de lagos, mares ou no leito de rios, ou sejam embebidos por alguma resina  logo após a morte, ou congelados.

 Na grande maioria das vezes em que se encontra um fóssil são as partes duras do corpo que estão fossilizadas, são raros os fósseis com tecidos moles preservados. Então os fósseis são, normalmente, ossos, conchas, tronco e galhos de plantas. Abaixo esta descrito alguns dos acontecimentos nescessários para que um cadaver seja fossilizado em uma rocha:  

1. Morte do organismo: O primeiro passo para que ocorra a fossilização é a morte do organismo. Normalmente, o cadáver precisa ser rapidamente coberto por sedimentos para evitar que ele seja rapidamente decomposto ou devorado por predadores e microrganismos.

2. Sepultamento: A deposição rápida de sedimentos sobre o cadáver é crucial para evitar a decomposição. O corpo do animal pode ser enterrado por areia, argila, lama, cinzas vulcânicas ou outros materiais sedimentares, que se acumulam em camadas sobre o cadáver.

3. Percolação de água: À medida que os sedimentos vão se acumulando, a água contida neles começa a percolar através dos poros e cavidades do corpo do animal, dissolvendo substâncias minerais dos sedimentos e carregando-as para dentro do organismo. Essas substâncias minerais podem incluir sílica, carbonato de cálcio, ferro e outros minerais.

4. Mineralização: À medida que a água percola através dos ossos e outras partes duras do corpo, as substâncias minerais que estão dissolvidas nessa água começam a se depositar nas cavidades e poros do tecido, substituindo gradualmente os componentes orgânicos do corpo. Esse processo é conhecido como mineralização e pode ocorrer em escalas de tempo variáveis.

5. Diagênese: À medida que mais camadas de sedimentos são depositadas sobre o cadáver, o peso e a pressão dessas camadas comprimem e compactam os sedimentos inferiores, transformando-os em rochas sedimentares. Esse processo é conhecido como diagênese e é fundamental para a preservação dos fósseis.

6. Exposição: Com o tempo, as rochas sedimentares que contêm os fósseis podem ser expostas na superfície da Terra devido à erosão ou a movimentos tectônicos. Quando isso acontece, os fósseis podem ser coletados e estudados.

Sempre que pensamos em um  fóssil lembramos das imagens de um animal ou planta em uma rocha. Mas além dos fósseis em rochas pode haver outras formas de preservar partes do corpo de uma animal. Em regiões frias, como o pólo norte, os animais pré-históricos morriam e congelavam logo em seguida, devido a temperatura abaixo de zero os decompositores não existem nestes locaias, portanto os tecidos moles permacem preservados. O mesmo pode acontecer quando um cadaver é imediatamente imbebido por um resina, a resina cristaliza e o ser vivo que esta dentro da resina cristalizada permanece preservado, inclusive os tecidos moles.

A Paleontologia é uma ciência interdisciplinar que usa dados e métodos de várias outras áreas, como Geografia, Geologia, Química e Biologia. Ela fornece informações sobre a história evolutiva das espécies, incluindo a filogenia e as adaptações ao ambiente. Entretanto, o registro fóssil é incompleto e a formação de fósseis é um processo raro e sujeito a destruição por agentes erosivos.

Para estudar a evolução de uma espécie, a Paleontologia utiliza várias informações contidas nos fósseis, como a altura, o peso e o tipo de alimentação de um animal, que podem ser inferidos a partir de características ósseas e dentárias. Além disso, os fósseis de transição, que apresentam características intermediárias entre dois grupos, são particularmente interessantes porque indicam o grau de parentesco entre eles. Por exemplo, os fósseis de dinossauros com penas e de aves com dentes mostram o parentesco evolutivo entre os dois grupos.

Um dos exemplos mais conhecidos de fósseis de transição é o dos mamíferos aquáticos, como as baleias, que apresentam uma série de adaptações ao ambiente marinho. Os fósseis intermediários entre baleias e mamíferos terrestres mostram uma progressiva adaptação ao ambiente aquático, como a modificação dos membros dianteiros em nadadeiras e a diminuição dos membros posteriores até desaparecer. Além disso, as baleias adquiriram um formato hidrodinâmico e as aberturas nasais migraram para o topo da cabeça, permitindo a respiração sem precisar emergir totalmente.

O estudo dos fósseis é uma das maneiras pelas quais podemos obter dados importantes sobre a evolução das espécies. Esses dados são complementados por outras evidências, como estudos comparativos de anatomia, embriologia, proteínas e ácidos nucleicos de organismos vivos. A idade relativa dos fósseis de cada grupo confirma a sequência evolutiva esperada: peixes surgiram antes dos anfíbios, estes antes dos répteis, e assim por diante.

De acordo com a teoria da evolução, os fósseis mais semelhantes às espécies atuais devem ser encontrados nas camadas mais superficiais do solo, enquanto os fósseis de transição entre grupos com um ancestral comum mais recente devem estar em camadas de idade intermediária. Por exemplo, Neil Shubin, o descobridor do Tiktaalik, um ancestral comum de peixes e anfíbios, procurou fósseis de transição entre esses grupos em estratos com cerca de 375 milhões de anos de idade, uma vez que nas camadas mais recentes há fósseis de ancestrais de anfíbios e nas mais antigas há fósseis de um grupo de peixes com nadadeiras musculosas. Esse tipo de raciocínio também é aplicável à busca por fósseis de transição entre dinossauros e aves.

O Brasil é um país rico em fósseis e registros paleontológicos, devido à sua vasta extensão territorial e à sua diversidade geológica. Desde o surgimento da vida na Terra até os dias atuais, a fauna e a flora brasileiras passaram por diversas transformações, deixando evidências de sua evolução em rochas e sedimentos.

Um dos sítios paleontológicos mais famosos do Brasil é a Chapada do Araripe, localizada entre os estados do Ceará, Pernambuco e Piauí. Naquela região foram encontrados fósseis de animais e plantas que habitavam a região há mais de 100 milhões de anos, durante o período Cretáceo. Entre as espécies encontradas estão dinossauros, como o Carnotaurus, o Spinosaurus e o Anhanguera, além de pterossauros, crocodilos, tartarugas e diversos peixes e moluscos.

Na região nordeste do Brasil, mais precisamente no estado do Piauí, encontra-se o Parque Nacional Serra da Capivara, que abriga sítios arqueológicos e paleontológicos com mais de 50 mil anos de idade. Ali foram encontrados restos de animais pré-históricos, como mastodontes, tigres-dentes-de-sabre e preguiças-gigantes, além de artefatos e vestígios de atividade humana.

Outra região rica em fósseis é a Bacia do Paraná, que se estende pelos estados do Paraná, São Paulo, Minas Gerais e Mato Grosso do Sul e Rio Grande do Sul. Nesta região foram encontrados restos de animais que viveram há cerca de 300 milhões de anos, durante o período Carbonífero, como os tetrápodes primitivos, ancestrais dos répteis, aves e mamíferos, além de invertebrados, como trilobitas e amonites.

Em Santa Catarina 1995, foram encontrados restos fósseis de um tiranossauro em uma pedreira em São José do Cerrito. Os restos incluem partes do crânio, dentes, vértebras, costelas e ossos dos membros. Outros dinossauros encontrados em Santa Catarina incluem o Maxakalisaurus topai, encontrado em 1998 em uma fazenda em Presidente Getúlio, e o Santanaraptor placidus, encontrado em 2012 em São Pedro de Alcântara. Ambos são terópodes, carnívoros bípedes que viveram no Cretáceo Superior. Além dos dinossauros, também foram encontrados fósseis de animais marinhos em Santa Catarina, especialmente na região costeira. Em São Francisco do Sul, foram encontrados restos de tartarugas gigantes e mosassauros, um grupo de répteis marinhos que viveram no final do período Cretáceo. Também foram encontrados fósseis de tubarões, crocodilos, baleias e golfinhos.

Além dessas regiões, o Brasil possui uma grande diversidade de fósseis e sítios paleontológicos, que revelam informações importantes sobre a história evolutiva da vida no país e no mundo. A preservação desses registros é fundamental para a compreensão da história da vida na Terra e para a conservação da biodiversidade atual.

Como sabemos a idade de um fóssil?

A idade dos fósseis é geralmente determinada pela idade do terreno em que foram encontrados. Em termos gerais, quanto mais profundo o terreno, mais antigo o fóssil. Já a idade absoluta de rochas e fósseis é calculada utilizando a desintegração de elementos radioativos, que funcionam como "relógios" naturais. 

Um exemplo é a desintegração do urânio (238U), que se transforma em um isótopo do chumbo (206Pb). Sabendo que 1g de urânio leva cerca de 4,5 bilhões de anos para produzir 0,5g de chumbo, é possível estimar a idade de uma rocha pela quantidade relativa de urânio e chumbo presentes nela. A taxa de desintegração é constante e não varia com mudanças de pressão, temperatura ou reações químicas.

Através desse método foi possível calcular a idade da Terra. Análises de meteoritos, rochas da Lua e rochas antigas do planeta confirmaram que a Terra tem aproximadamente 4,5 bilhões de anos. Outro exemplo de isótopo radioativo é o urânio 235 (235U), que tem meia-vida de 704 milhões de anos. Nesse intervalo de tempo, metade dos átomos se transforma em um isótopo do chumbo (207Pb).

Em rochas recentes, a quantidade relativa de urânio e chumbo é muito pequena e difícil de ser analisada. Nesses casos, os cientistas utilizam o método do carbono-14 (14C), um isótopo radioativo do carbono normal (12C). O 14C é formado quando nêutrons de raios cósmicos colidem com átomos de nitrogênio atmosférico. Esse isótopo pode combinar-se com o oxigênio do ar e formar gás carbônico, que é incorporado aos vegetais na fotossíntese e, indiretamente, aos animais pela cadeia alimentar.

Todos os seres vivos possuem uma pequena taxa de isótopos radioativos do carbono, e quando morrem, param de absorver esse isótopo. Ao longo do tempo, o 14C se desintegra e forma nitrogênio. A cada 5.730 anos, a taxa de carbono radioativo cai pela metade. Esse método é utilizado para determinar a idade de fósseis e outros materiais orgânicos.

Embriologia e anatomia comparada

A comparação do desenvolvimento embrionário e da anatomia de diferentes organismos pode ser usada para determinar o grau de parentesco entre eles. Ao estudar a anatomia do braço humano, da nadadeira de uma baleia e da asa de um morcego, é possível notar que, apesar de suas funções diferentes, esses órgãos apresentam um padrão de construção muito semelhante. Essa semelhança pode ser explicada pela evolução desses órgãos a partir de um mesmo órgão presente no ancestral comum desses grupos, que se adaptou a funções diferentes.

Essas estruturas, que se originaram de um ancestral comum exclusivo e que podem ou não desempenhar a mesma função, são chamadas de estruturas homólogas. A diferença de funções entre essas estruturas, quando presente, é resultado de uma divergência evolutiva, ou seja, a seleção de características mais adaptadas a cada ambiente.

Assim, a comparação de estruturas homólogas é uma ferramenta para entender a história evolutiva dos seres vivos e sua relação de parentesco. Ao analisar as semelhanças e diferenças entre órgãos homólogos em diferentes espécies, podemos traçar a evolução de grupos de organismos e reconstruir sua história evolutiva.

O conceito de homologia é um importante instrumento para entender as relações evolutivas entre os seres vivos. Essa ideia pode ser aplicada a diversas características dos organismos, incluindo as anatômicas, embriológicas, comportamentais e moleculares. Quando um conjunto de características semelhantes é observado em diferentes grupos, é possível supor que esses grupos possuem uma ancestralidade comum.

No caso dos mamíferos, por exemplo, a evolução deu origem a um grande número de espécies adaptadas a condições de vida muito diferentes. Esse fenômeno é conhecido como irradiação adaptativa e é responsável por modificações nos ossos dos membros dianteiros de mamíferos, que os adaptaram a diferentes atividades, como correr, nadar, cavar, manipular objetos e voar.

Além disso, a embriologia e a anatomia comparadas também mostram que existem estruturas análogas, que desempenham a mesma função, mas têm origem embrionária e estrutura anatômica diferentes. Um exemplo disso são as asas dos insetos e das aves, que evoluíram de forma convergente, adaptando-se de forma semelhante ao mesmo tipo de ambiente.

Em resumo, o conceito de homologia é fundamental para entender as relações evolutivas entre os seres vivos e pode ser aplicado a diversas características. A compreensão desses conceitos é essencial para entender a diversidade dos seres vivos e como eles se adaptaram às condições de vida ao longo da história evolutiva da Terra.

Órgãos vestigiais

Os órgãos vestigiais são órgãos reduzidos que não desempenham mais sua função original. Exemplos incluem o apêndice vermiforme humano e os ossos vestigiais de membros posteriores em algumas baleias e serpentes.

Em animais herbívoros não ruminantes, como coelhos e cavalos, o apêndice vermiforme é uma extensão do intestino que abriga microrganismos importantes para a digestão da celulose. No entanto, em seres humanos, sua função original foi perdida, o que o caracteriza como um órgão vestigial. No entanto, pesquisas recentes sugerem que ele pode ter outras funções, como a colaboração na imunidade ou o armazenamento de bactérias.

A presença de ossos vestigiais de membros posteriores em baleias e serpentes indica que esses animais evoluíram a partir de espécies com pernas, que se adaptaram a um novo modo de vida. A perda de pernas traseiras em baleias reduziu o atrito com a água, tornando mais eficiente o deslocamento do animal no ambiente aquático. Já em serpentes, a perda de membros posteriores pode ter facilitado o deslizamento por fendas estreitas entre pedras e a entrada em buracos no solo.

Outro exemplo é o cóccix humano, um órgão vestigial remanescente da cauda, localizado na parte inferior da coluna vertebral e formado pela união de quatro ou cinco vértebras. Algumas pessoas possuem um pequeno músculo ligado ao cóccix, idêntico ao que movimenta a cauda em outros mamíferos, mas, nesse caso, sem função, já que o cóccix não se movimenta.

Semelhanças embrionárias

A embriologia comparada é uma importante ferramenta para entender o parentesco entre diferentes grupos de animais. Embora esses grupos possam parecer muito diferentes quando adultos, os embriões de vertebrados apresentam uma organização básica comum, que dá origem a diferentes órgãos de acordo com o grupo a que pertencem. Por exemplo, todos os embriões de vertebrados possuem bolsas, sulcos e arcos faríngeos, mas, nos peixes, essas estruturas formam as brânquias, enquanto em humanos elas darão origem a diversas partes da cabeça e do pescoço, como tonsilas palatinas, glândulas paratireóideas, timo, ossículos da orelha média e meato acústico externo. Por isso, a embriologia comparada é uma forte evidência de que todos os vertebrados têm um ancestral comum e que, ao longo do tempo, foram desenvolvendo características distintas.

Evidências moleculares

Em termos bioquímicos, a diferença entre os ácidos nucleicos e as proteínas de duas espécies indica o grau de parentesco evolutivo entre elas. Assim, a sequência de aminoácidos de uma proteína ou nucleotídeos do DNA podem ser usados para estimar a distância evolutiva entre duas espécies.

Por exemplo, ao comparar a hemoglobina humana com a de outros mamíferos, observa-se que a sequência de aminoácidos é idêntica à do chimpanzé, indicando um ancestral comum recente. À medida que a diferença na sequência aumenta, as espécies estão mais distantes evolutivamente.

A técnica de hibridização de DNA é usada para medir a diferença genética entre espécies. Quanto mais semelhantes as sequências de DNA, maior é a atração entre os filamentos, exigindo mais energia para separá-los. A temperatura de separação pode ser usada para reconstruir a sequência evolutiva entre espécies.

Atualmente, a análise de ácidos nucleicos permite sequenciar o genoma de várias espécies, mostrando que o genoma humano é mais semelhante ao do chimpanzé do que ao de outros animais.

A análise dos cromossomos 2A e 2B do chimpanzé mostra a semelhança de várias partes com o cromossomo humano 2, sugerindo que ele pode ter surgido da fusão de dois cromossomos no ancestral comum. De fato, regiões de DNA no meio do cromossomo humano 2 correspondem a partes inativas dos centrômeros e dos telômeros dos cromossomos 2A e 2B dos chimpanzés. Isso também pode explicar por que os humanos têm um par de cromossomos a menos do que os chimpanzés.

As técnicas de análise de sequências de aminoácidos e nucleotídeos possibilitam a construção de árvores filogenéticas para grupos de organismos, que podem ser comparadas com árvores construídas com dados morfológicos. Além disso, essas técnicas permitem a descoberta da origem de novas doenças virais. Por exemplo, o sequenciamento do RNA do vírus da Aids ajudou a decifrar sua origem: o HIV-1 vem de um tipo de vírus que infecta chimpanzés e o HIV-2 vem de outro tipo de vírus que afeta macacos-verdes. Essas técnicas também possibilitam determinar a evolução de sequências de DNA em diferentes espécies, comparando diretamente as mudanças em sua sequência de bases. Por meio da análise de sequências de bases de trechos específicos de DNA, foi possível demonstrar que os mamíferos terrestres mais próximos das baleias são os hipopótamos. A análise confirmou as evidências morfológicas de que a articulação entre a perna e a pata de um ancestral da baleia (o gênero Basilosaurus) é semelhante à dos artiodáctilos, grupo que inclui o hipopótamo.